(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン膜を製造する方法であって、
還元剤およびタングステン前駆体を順次パルスするサイクルを一以上有し、基板上にタングステン核生成層を堆積する工程と、
前記タングステン核生成層の堆積が完了した後であって、かつ、前記タングステン核生成層上にバルク層を形成する前に、前記タングステン核生成層の表面を複数の還元剤パルスに曝すことにより、堆積した前記タングステン核生成層の表面に処理操作をする工程と、
を備え、
前記処理操作の間における前記基板の温度は、前記タングステン核生成層を堆積する間における前記基板の温度よりも高いことを特徴とする、
タングステン膜を製造する方法。
【請求項２】
前記還元剤は、ボロン含有還元剤であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記複数の還元剤パルスの数は、２から８であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記タングステン核生成層の堆積が完了した後に、前記基板を３７５℃から４１５℃に加熱する工程を備え、前記基板の温度は前基板の表面を前記複数の還元剤パルスに曝す間において、３７５℃から４１５℃に維持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記複数の還元剤パルスにおける各パルスは、パルス時間を有し、前記パルス時間は、０．５から５秒であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記複数の還元剤パルスにおける各パルスは、パルス時間を有し、少なくとも２つの還元剤パルスの前記パルス時間は異なることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記複数の還元剤パルス間のインターバル時間は、２から５秒であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
前記複数の還元剤パルス間のインターバル時間は、少なくとも２つのインターバル時間で異なることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記処理操作の間の前記基板の温度は、前記タングステン核生成層を堆積する間の前記基板の温度よりも少なくとも２５℃高いことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記タングステン核生成層の上にバルクタングステン層を堆積させる工程を備え、
前記タングステン核生成層の堆積とバルクタングステン層の堆積の間においては、前記基板上に実質的にタングステンは堆積されないことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記基板上に形成された前記タングステン膜は、シート抵抗の不均一性が５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記基板上に形成された前記タングステン膜の抵抗率は、５００オングストロームの厚さのタングステン膜では、１５マイクロオームセンチメートル未満であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
反応チャンバ内で基板上にタングステン膜を製造する方法であって、
（ａ）前記基板を反応チャンバ内に配置する工程と、
（ｂ）還元剤およびタングステン前駆体を順次パルスするサイクルを一以上有し、パルス核生成層プロセスによって、前記基板上にタングステン核生成層を堆積させる工程と、
（ｃ）前記タングステン核生成層の堆積が完了した後であって、かつ、前記タングステン核生成層上にバルク層を形成する前に、前記基板を３９５℃に加熱し、温度を安定させる工程と、
（ｄ）前記基板の温度を３９５℃に維持しつつ、前記核生成層を２から８パルスのジボランにさらす工程であって、前記ジボランは１００から５００ｓｃｃｍの流量であり、０．５から５秒のパルス時間、およびパルス間においてはパルス動作なしに２から５秒のインターバル時間を有する工程と、
（ｅ）前記基板の温度を３９５℃に維持する工程と、
（ｆ）前記核生成層をタングステン含有前駆物質にさらす工程と、
（ｇ）前記タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させて前記タングステン膜を形成する工程と、
を備えるタングステン膜を製造する方法。
【請求項１４】
基板上にタングステン膜を堆積させる装置であって、
ａ）マルチステーション基板堆積チャンバを備え、
前記マルチステーション基板堆積チャンバは、
ｉ）基板サポート、および、前記基板をガスのパルスにさらすための１つ以上のガス入口、を有するタングステン核生成層堆積ステーションと、
ｉｉ）基板サポート、および、前記基板をガスのパルスにさらすための１つ以上のガス入口、を有する還元剤暴露ステーションと、
ｉｉｉ）基板サポート、および、前記基板をガスにさらすための１つ以上のガス入口、を有するタングステンバルク層堆積ステーションと、
を備え、
ｂ）前記マルチステーション基板堆積チャンバにおける動作を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラが制御する前記動作は、
ｉ）前記タングステン核生成層堆積ステーション内で、還元剤パルス、パージガスパルス、およびタングステン含有前駆物質パルスのサイクルを複数発生させることにより、前記基板の表面にタングステン核生成層を形成することと、
ｉｉ）前記還元剤暴露ステーションにおいて、複数の還元剤パルスを発生させ、前記複数の還元剤パルス間においてはパルス動作をさせないことと、
ｉｉｉ）前記タングステンバルク層堆積ステーションにタングステン含有前駆物質、および還元剤を放つことと、
を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タングステン膜を調製する方法に関する。本発明の実施形態は、電気抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れたタングステン薄膜を必要とする集積回路用途に特に役立つ。
【背景技術】
【０００２】
化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いてのタングステン膜の堆積は、数多くの半導体製造プロセスの中で必要不可欠な部分である。タングステン膜は、シリコン基板における水平の内部接続、隣接する金属層間ビア、および、第１金属層とデバイスとの間のコンタクトとして形成される低抵抗率の電気的接続として用いられうる。従来のタングステン堆積プロセスでは、ウェハは、真空チャンバ内でプロセス温度まで加熱され、シードまたは核生成層となるタングステン膜の非常に薄い部分が堆積される。その後、タングステン膜の残りの部分（バルク層）が核生成層上に形成される。従来、タングステンバルク層は、六フッ化タングステン（ＷＦ６）を水素（Ｈ２）で還元することにより成長中のタングステン層上に形成される。タングステンのバルク層は、一般的に、核生成層より速く堆積するが、まず核生成層を形成しなければ、確実に形成することは難しい。
【０００３】
技術の進歩は、タングステンの電気的接続をますます薄くしつつ、非常に低い抵抗率を維持することを要求する。それゆえ、タングステン堆積プロセスによって、超低抵抗率を有するタングステン膜を実現することが重要である。ウェハのサイズを大きくしていきながら歩留まりを向上させるためには、ウェハ全体の被膜特性の均一性も重要である。
【発明の開示】
【０００４】
均一性に優れ、下位層への接着性が良好な低抵抗率タングステン膜を形成する方法が提供される。低抵抗率のタングステン膜は、タングステンのバルク層を堆積させる前に、タングステンの核生成層を還元剤にさらすことにより形成される。例えば、単一の還元剤パルスに代わり、多数の連続した還元剤パルスにタングステンの核生成層をさらすことにより、均一性および接着性共に良好であり、抵抗率が低いタングステン膜が形成される。
【０００５】
本発明の一側面では、タングステンのバルク層を堆積させる前に、タングステンの核生成層を還元剤のパルスにさらすことにより、タングステン膜が形成される。タングステン膜を堆積させる工程は、（ａ）反応チャンバ内に基板を配置する工程と、（ｂ）基板上にタングステンの核生成層を堆積させる工程と、（ｃ）パルス間のパルス動作なしに複数の還元剤パルスに核生成層をさらす工程と、（ｄ）タングステンの核生成層上にタングステンのバルク層を堆積させてタングステン膜を形成する工程と、を有する。
【０００６】
上記順序に従う方法のいくつかの実施形態では、還元剤は、ホウ素含有還元剤、であり、また、いくつかの実施形態では、還元剤は、ジボランである。いくつかの実施形態では、工程（ｃ）における還元剤パルスの数は２から８である。さらなる実施形態では、基板は、還元剤パルスにさらされる前に、約３７５℃から４１５℃まで加熱され、当該温度を安定させる。いくつかの実施形態では、タングステンの核生成層上にタングステンのバルク層を堆積させる前に、基板は、約３７５℃から４１５℃まで加熱される。いくつかの実施形態では、タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させる前に、核生成層は、タングステン含有前駆物質にさらされる。
【０００７】
タングステン膜形成プロセスのさまざまな実施形態によれば、工程（ｃ）における複数の還元剤パルスの各パルスは、パルス時間を有し、当該パルス時間は、０．５から５秒である。パルス時間は、還元剤パルス間で異なりうる。いくつかの実施形態では、還元剤パルス間のインターバル時間は、約２から５秒である。還元剤パルス間のインターバル時間は、そのインターバルによって異なりうる。いくつかの実施形態では、還元剤パルス間のインターバル時間は、後続のパルスであるほど短い。さらなる実施形態では、複数の還元剤パルスの各パルスは、流量を有し、当該流量は、約１００から５００ｓｃｃｍｍである。流量も還元剤パルス間で異なりうる。
【０００８】
上記方法のいくつかの実施形態では、基板上に形成された５００オングストロームの厚さのタングステン膜は、シート抵抗の不均一性が５％より小さい、および／または、抵抗率が１２マイクロオームセンチメートル未満である。
【０００９】
他の実施形態では、タングステン膜堆積プロセスは、（ａ）反応チャンバ内に基板を配置する工程と、（ｂ）パルス核生成層プロセスによって基板上にタングステンの核生成層を堆積させる工程と、（ｃ）基板を約３９５℃まで加熱し、当該温度を安定させる工程と、（ｄ）基板温度を約３９５℃に維持しながら、パルス間のパルス動作なしに、核生成層を２から８パルスのジボランにさらす工程と、（ｅ）基板温度を約３９５℃に維持する工程と、（ｆ）核生成層をタングステン含有前駆物質にさらす工程と、（ｇ）タングステン核生成層上にタングステンバルク層を堆積させる工程と、を有し、ジボランは、約１００から５００ｓｃｃｍの流量、約０．５から５秒のパルス時間、および、約２から５秒のインターバル時間を有する。
【００１０】
基板にタングステン膜を堆積させる装置の一実施形態では、装置は、マルチステーション基板堆積チャンバと、当該マルチステーション堆積チャンバ内の動作を制御するコントローラとを備える。マルチステーション基板堆積チャンバは、タングステン核生成層堆積ステーションと、還元剤暴露ステーションと、タングステンバルク層堆積ステーションとを有する。コントローラは、核生成層を堆積させるよう、タングステン核生成層堆積ステーションにおける還元剤パルスおよびタングステン含有前駆物質パルスの交互の発生を制御し、還元剤暴露ステーション内で、複数の還元剤パルスを、当該パルス間のパルス動作なしに発生させ、タングステンバルク層堆積ステーション内に、タングステン含有前駆物質、および、還元剤を暴露することにより、タングステンバルク層のすべてまたは一部を堆積させる。特定の実施形態では、コントローラは、タングステン核生成層堆積ステーションから還元剤ステーションまで、および、還元剤ステーションからタングステンバルク層堆積ステーションまでの基板の移送を制御する。
【００１１】
本発明の上記および他の特徴は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図面と関連付けて考察することにより、以下の詳細な説明の理解はより深まるであろう。
【００１３】
【図１Ａ】本発明のさまざまな実施形態における、還元剤パルスとインターバル時間とを表すグラフである。
【００１４】
【図１Ｂ】本発明のさまざまな実施形態における、還元剤パルスとインターバル時間とを表すグラフである。
【００１５】
【図１Ｃ】本発明のさまざまな実施形態における、還元剤パルスとインターバル時間とを表すグラフである。
【００１６】
【図２】単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成されたタングステン膜用ウェハにおけるタングステン膜シート抵抗を示すグラフである。
【００１７】
【図３】単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成された多数のタングステン膜のシート抵抗の不均一性対抵抗率を示すグラフである。
【００１８】
【図４】本発明のさまざまな実施形態における関連動作または方法を示すプロセスのフローチャートである。
【００１９】
【図５】本発明のさまざまな実施形態における関連動作または方法を示すプロセスのフローチャートである。
【００２０】
【図６】本発明のさまざまな実施形態における関連動作または方法を示すプロセスのフローチャートである。
【００２１】
【図７】本発明の複数の実施形態における、タングステン堆積プロセスの実行に適した処理システムのブロック図である。
【００２２】
【図８Ａ】本発明の複数の実施形態において形成されたタングステン核生成層、および、タングステンバルク層を含む積層膜の概略図である。
【００２３】
【図８Ｂ】本発明の複数の実施形態において形成されたタングステン核生成層、および、タングステンバルク層を含む積層膜の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下の説明では、本発明の完全なる理解をもたらすべく、タングステン膜の形成に関する多数の具体的な詳細が記載される。好適な方法は、以下に詳細に説明するタングステン核生成層を還元剤パルスにさらす工程を含む。本願明細書中に示される特定の方法および構造の修正、改造、または、変更も当業者にとっては明らかであり、本発明の範囲に含まれる。
【００２５】
一般的に、核生成層は、その上に次なるバルク層の形成を促す薄いコンフォーマルな層である。効率的なタングステン堆積プロセスは、タングステン核生成層が必要であるが、タングステン核生成層は、一般的に、タングステンバルク層より高い電気抵抗率を有する。したがって、タングステン膜全体（タングステン核生成層、および、タングステンバルク層）の電気抵抗率を低く保つためには、タングステン核生成層を可能な限り薄く維持しなければならない。その一方で、タングステン核生成層は、下にある基板を完全に覆って高品質のバルク堆積を支持するだけの十分な厚みもなければならない。
【００２６】
抵抗率は、材料の固有特性であり、材料を通じての電荷の移動に対する材料の抵抗の測定値である。材料の抵抗率は、集積回路の電気的動作に影響する。低抵抗率のタングステン膜は、集積回路設計における電力損失、および、オーバーヒートを最小限に留める。さらに、タングステン膜は、ウェハにおける抵抗率の均一性に優れ、下層材料への接着性にも優れていることが望ましい。
【００２７】
本願明細書中に記載される方法は、タングステン核生成層によるタングステン膜の形成を含む。特定の実施形態では、タングステンバルク層を堆積させる前に、核生成層は、還元剤パルスにさらされる。結果として生じたタングステン膜は、核生成層を還元剤パルスにさらさずに形成されたタングステン膜よりも、一般的に抵抗率が低く、良好な均一性および良好な接着性を有する。
【００２８】
以下に、本発明の特定の実施形態の側面がさらに詳細に記載される。
［プロセス］
【００２９】
本願明細書中に記載されるプロセスでは、タングステン核生成層上にタングステンバルク層が堆積される前に、タングステン核生成層は、１つ以上の還元剤パルスにさらされる。これは、核生成層表面処理とみなされてよい。還元剤パルスにさらすことにより、タングステン膜全体（核生成層およびバルク層）の抵抗率が向上する。
【００３０】
図１Ａは、タングステン核生成層への単一の還元剤パルスを表す。垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。タングステン核生成層は、基板上に堆積した後、図１Ａに示されるような単一の還元剤パルスにさらされる。その後、タングステンバルク層が核生成層上に堆積される（図示せず）。図１Ａに示される例では、還元剤としてジボランを用いているが、シラン、および、他のボランなどの他の還元剤を用いてもよい。
【００３１】
一般的に、核生成層に還元剤処理を施した後に形成されるタングステン膜は、低抵抗率を有するが、シート抵抗の均一性は、核生成層を還元剤にさらさずに形成されたタングステン膜より劣る（すなわち、不均一性のパーセントが高い）。（ａ）図１Ａに示されるような単一の還元剤パルスを用いた場合、および、（ｂ）核生成層を還元剤にさらさない場合、に形成された５００オングストロームの厚さのタングステン膜の典型的な抵抗率、および、不均一性のパーセントが以下の表１に示されている。
【表１】
0005376361.tif 000002
表１：核生成層に還元剤を用いた場合と用いない場合に形成された厚さ５００オングストロームのタングステン膜の典型的な抵抗率および均一性
【００３２】
表１に示すように、還元剤処理なしで形成されるタングステン膜の典型的な抵抗率は、図１Ａに示すような単一の還元剤パルスを用いて形成された膜の典型的な抵抗率より大きい。しかしながら、還元剤処理なしで形成されたタングステン膜のシート抵抗の均一性は、単一パルスの還元剤処理によって形成された膜のシート抵抗の均一性より一般的に優れている。単一パルスの還元剤処理によって形成されたタングステン膜の抵抗率は、還元剤に多くさらすことにより（すなわち、パルス時間を長くする、および／または、気体流を増やす）ことによってさらに低下させることができるが、下位層へのタングステン膜の接着性（表１には示されていない）は、単一パルス状の還元剤に多くさらすことにより低下する。
【００３３】
図１Ｂは、本発明の特定の実施形態における還元剤パルスとインターバル時間とを表すグラフである。垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。堆積した核生成層は、パルス間にインターバル時間のあるマルチ還元剤パルスにさらされる。インターバルの間は、図１Ｂに示すように、反応チャンバに還元剤は供給されない。上述のごとく、本例における還元剤は、ジボランであるが、他の還元剤を用いてもかまわない。
【００３４】
図１Ｂに示すようなマルチパルス処理によって、タングステン膜の抵抗率および均一性は予想外に向上する。表２は、３００ｍｍのウェハ上の窒化チタンバリア層に堆積された厚さ約５１０オングストロームのタングステン膜の特性を示す。還元剤処理に用いられる還元剤は、ジボランであった。各ウェハへのジボラン暴露量は等しく、すなわち、６秒間で１パルス、および、１秒間で６パルス、どちらも６秒間ジボランにさらされたことになる。抵抗率、不均一性のパーセント、および、接着性が測定された。接着性は、スクライブ／テープテストによって測定された。スクライブ／テープテストでは、タングステン膜は、ダイヤモンドカッターによって線を引かれ、線が引かれた領域にテープが貼付され、その後テープが剥がされた。スクライブ／テープテストの後、窒化チタンバリア層にタングステン膜が残っていれば、接着性が「合格」であることを示す。一方、テープによってタングステン膜が部分的に取り除かれていれば「不合格」であることを示す。データからわかるように、タングステン核生成層のマルチパルスジボラン処理によって、単一パルス処理のときよりも、高い接着性を維持しつつ、抵抗率が低く、シート抵抗の均一性に優れた（すなわち不均一性のパーセントが低い）タングステン膜が得られる。
【表２】
0005376361.tif 000003
表２：単一パルス還元剤処理、および、マルチパルス還元剤処理を用いて調製された３００ｍｍのウェハ上の窒化チタンバリア層における厚さ５１０オングストロームのタングステン膜の比較
【００３５】
図２および３を参照して以下に詳述するが、表２で示すように、異なるパルスのジボランを用いることにより、優れた接着性を保ちつつ、タングステン膜の抵抗率および均一性は予想外に向上する。上記のごとく、表２における各ウェハの総ジボラン暴露量は、等しい。表２に示されたマルチパルス処理と単一パルス処理との間の唯一の相違点は、マルチパルス処理は、細分化されてより小さなパルスのジボランとなり、抵抗率および均一性にさらに著しい向上が見られることである。
【００３６】
図２は、単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成されたタングステン膜用ウェハにおけるタングステン膜シート抵抗を示すグラフである。このグラフに示されたデータは、表２で採り上げた同じウェハから得たものである。データからわかるように、マルチパルスジボラン処理は、ウェハの端部およびウェハの中心のどちらにおいても抵抗率を下げると共に、中心と端部との抵抗率の差を小さくする。したがって、マルチパルスジボラン処理では、単一パルス処理と比べ、抵抗率および不均一性のパーセントが共に低くなる。
【００３７】
図３は、単一パルスおよびマルチパルス還元剤処理により形成された多数のタングステン膜のシート抵抗の不均一性と抵抗率との関係を示すグラフである。データポイントで示されるタングステン膜は、異なるバリア層材料上に堆積され、タングステン核生成層は、異なる気体流で処理された。各タングステン膜間にばらつきはあるものの、マルチパルス還元剤処理で形成されたタングステン膜は、単一パルス処理で形成された膜より優れた特性を示す。グラフ上に楕円形で囲まれたマルチパルス処理による膜のすべては、シート抵抗の不均一性のパーセントが低く、抵抗率も低い。マルチパルス処理での接着性の結果も良好であり、不合格となったタングステン膜は１つだけだった。一方、単一パルス還元剤処理で形成されたタングステン膜は、一般的に、シート抵抗の不均一性のパーセントが高いか、または、抵抗率が高い。シート抵抗の不均一性のパーセントが低く、抵抗率も低い１つの単一パルス還元剤処理による膜（楕円形内のデータポイント）では、接着性が不合格である。
【００３８】
１パルスにおける還元剤の気体流量は、好ましくは、約１００から５００ｓｃｃｍである。各還元剤パルスのパルス時間は、約０．５秒から５秒までの間で変化し、より好ましくは、約１から２秒である。複数の還元剤パルスの各還元剤パルス間のインターバル時間は、好ましくは、約２秒から５秒である。これらの動作条件では、還元剤パルスの数は、好ましくは２から８である。チャンバ圧力は、マルチパルス還元剤処理中、広範に変化してよく、約２から１００Ｔｏｒｒ、より好ましくは、約２０から４０Ｔｏｒｒである。これらの還元剤パルスパラメータは、３００ｍｍのウェハを基準としており、ウェハのサイズ、特定の処理装置、用いられる特定の還元剤などに応じて調整する必要がある。還元剤パルスにさらされた後、核生成層上にタングステンバルク層が堆積される。結果として生じたタングステン膜は、核生成層が単一の還元剤パルスにさらされて形成された薄膜に比べ、低抵抗率、良好なシート抵抗均一性、および、強い接着性を有する。
【００３９】
パルス時間、パルスドーズ量、および、インターバル時間に応じて、所望のタングステン膜特性を得るために用いるべきパルスの最適数があることが判明した。用いるパルスが少なすぎると、タングステン膜の抵抗率およびシート抵抗の不均一性共に高くなる。用いるパルスが多すぎると、タングステン膜の抵抗率および不均一性は低くなるが、接着性が弱くなる。多くの実施形態では、パルス最適数は、２から８であるが、用いられる動作条件に依存する。非常に異なる処理条件に対しては、非常に多くのパルス数が用いられうる。
【００４０】
タングステン核生成層がマルチパルスにさらされる実施形態では、それらのパルスは同一か、または、互いに異なってよい。図１Ｃは、特定の実施形態における、異なる還元剤パルス、および、インターバル時間を表すグラフの一例を示す。上記のごとく、垂直軸は、気体流量を表し、水平軸は、プロセスのさまざまな工程に関連した段階に区切られた時間を表す。図１Ｃでは、還元剤パルスのパルス時間は異なり、後続のパルスであるほど短くなっている。また、図１Ｃでは、各還元剤パルスにおける気体流量は、異なり、後続のパルスであるほど減少している。さらに、図１Ｃでは、パルス間のインターバル時間は、異なり、後続のパルスであるほど短くなっている。還元剤パルス時間、還元剤気体流量、および、インターバル時間は、別々に変化することにより、スループットを最適化し、さらには、タングステン膜の抵抗率、均一性、および、接着性を向上させる。
【００４１】
例えば、パルス流量、パルス時間、および／または、インターバル時間の変化は、基板表面への還元剤の異なる吸着速度が原因でありえる。特定の実施形態では、パルス時間、および／または、流量を減少させてよく、その場合、基板の還元剤適用範囲の著しい損失はなく、しかもスループットは向上する。図１Ｃにおける例では、流量、パルス時間、および、インターバル時間のすべてが減少しているが、個別に減少、増加、または、変化してよい。特定の実施形態では、例えば、２つの流量および／またはパルス時間が用いられ、１つが最初のパルス用、もう１つは、続くすべてのパルス用である。
【００４２】
図４は、本発明の特定の実施形態における１つのプロセスの流れを示すフローチャートである。まず、プロセスブロック４０１に示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。本発明の多くの実施形態では、基板は、半製品の電子デバイス（例えば、半製品の集積回路）である。いくつかの実施形態では、基板は、（例えば、四塩化チタンを用いた物理蒸着法（ＰＶＤ）、または、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって堆積された）窒化チタン層でコーティングされてよい。この層の上にタングステン核生成層が堆積される。
【００４３】
次に、プロセスブロック４０３に示されるように、基板上にタングステン核生成層が堆積される。特定の実施形態では、タングステン核生成層を堆積させるためにパルス核生成層（ＰＮＬ）プロセスが用いられる。ＰＮＬ堆積プロセスでは、還元剤、パージガス、および、タングステン含有前駆物質のパルスが順次反応チャンバに送り込まれ、当該反応チャンバから出される。このプロセスは、核生成層が所望の厚さになるまで周期的に繰り返される。ＰＮＬは、文献で報告されている原子層堆積（ＡＬＤ）技術と同様であるが、動作圧力レンジがより高い（１Ｔｏｒｒより大きい）こと、サイクルごとの成長速度がより高い（サイクルごとの１単層膜の成長より大きい）ことによって、一般にＡＬＤとは区別される。本願明細書中で採り上げられるＰＮＬプロセスは、従来のＡＬＤ型プロセスも包含する。
【００４４】
上記のごとく、タングステン核生成層は、タングステンバルク層の成長を促す薄いコンフォーマルな層である。タングステン核生成層の厚さは、一般的には１０から３０オングストロームである。タングステン核生成層を堆積させるＰＮＬ型プロセスについてのさらなる検討は、同一出願人による米国特許出願第１１／２６５、５３１で見ることができ、その全体を参照により本願明細書に組み込む。ＰＮＬ型処理についてのさらなる検討は、同一出願人による米国特許第６，８４４，２５８、７，００５，３７２、および、７，１４１，４９４で見ることができ、それぞれの特許は、その全体を参照により本願明細書に組み込む。タングステン核生成層を形成するさらなる方法は、同一出願人による米国特許第６，９０５，５４３で見ることができ、その全体を参照により本願明細書に組み込む。
【００４５】
図４における次のプロセス動作４０５は、核生成層が還元剤パルスにさらされる工程を含む。特定の実施形態では、還元剤は、ジボランである。ジボランおよび関連する成分は、窒化チタンなどの金属窒化物表面によく吸着することがわかっている。ボランは自らの制約で基板に吸着されない。ジボランは、基板表面と反応してホウ素膜に分解される。基板がジボランにさらされ続ける限り、反応は進行しうる。したがって、吸着種の量は、ジボランの暴露量に依存する。一般的に、ジボランは、希釈されたソース（例えば、ジボラン５％、窒素９５％）から供給される。ジボランは、例えば、アルゴン、水素、および／または、シランなどの他のさらなるキャリヤガスを用いて反応チャンバに送られてよい。また、複数の実施形態は、還元剤パルスおよびインターバル時間のどちらにおいても反応チャンバに流れ続ける不活性ガス／水素ガスの混合物を含む。特定の実施形態では、不活性ガスはアルゴンである。しかしながら、インターバル時間中は、継続的に流れる不活性ガス／水素ガスの混合物、または、バックグラウンドガス以外のガスは反応チャンバには流れない、すなわち、還元剤パルス間のインターバル時間中は、いかなるパルス動作もない。核生成層が還元剤にさらされる時間は、暴露量およびチャンバ条件に一部基づいて変化する。図１Ｃを参照して上述したように、還元剤パルス時間、インターバル時間、および、流量は、すべて変化してよい。
【００４６】
タングステン核生成層が還元剤パルスにさらされた後、その上に、動作４０７に示すようにタングステンバルク層が堆積される。多くの実施形態では、タングステンバルク層は、ＣＶＤプロセスを用いて堆積される。それは、ＣＶＤが速やかに低抵抗率膜を形成することがわかっているからである。いかなる適切なタングステン含有前駆物質によるいかなる適切なＣＶＤプロセスも利用されうる。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、ＷＦ６、ＷＣｌ６、および、Ｗ（ＣＯ）６のうちの１つである。ＣＶＤプロセスは、分子水素と上記前駆物質の１つ以上との混合物を用いて実行されることがよくある。他の実施形態では、ＣＶＤプロセスは、シランを伴うタングステン前駆物質、水素とシランとの混合物、または、水素とボランとの混合物（例えばジボラン）を用いてよい。ＡＬＤ、ＰＮＬ、または、ＰＶＤを含むＣＶＤプロセス以外の方法を用いてタングステンバルク層を形成してもよい。
【００４７】
タングステンバルク層は、いかなる厚さにも堆積されうる。集積回路用途のタングステンインターコネクト線の厚みの合計（タングステン核生成層およびタングステンバルク層）は、約２０から１、０００オングストロームでありうる。典型的なビット線では、タングステン膜の厚みの合計は、一般的には約５００オングストローム以下である。タングステン膜が十分な厚さに堆積された後、図４のプロセスフローは終了する。特定の実施形態では、動作４０５から４０７までが繰り返し実行されることにより、タングステン膜がむらなく堆積される。
【００４８】
図５のフローチャートには、タングステン膜を形成するための本発明の他の実施形態が示されている。図５におけるプロセスフローは、図５におけるプロセスフローを実装するにあたり任意で実行されうる動作５０５、５０９、および、５１１を除けば、図４におけるプロセスフローと同様である。
【００４９】
図４に示されるプロセスと同様に、まず、プロセスブロック５０１で示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。次に、プロセスブロック５０３に示されるように、基板上にタングステン核生成層が堆積される。
【００５０】
プロセスブロック５０５に示されるように、プロセス動作５０７において核生成層が複数の還元剤パルスにさらされる前に、基板は、約３７５℃から４１５℃、好ましくは、約３９５℃に任意で加熱され、当該温度は安定させられる。次に、プロセス動作５０７において、上述のごとく、核生成層は、複数の還元剤パルスにさらされる。次に、プロセス動作５０９において、熱処理が行われる。この熱処理において、基板は、約３７５℃から４１５℃、好ましくは３９５℃に加熱されうる。核生成層が還元剤パルスにさらされる（プロセス動作５０７）前に余熱プロセス動作５０５を実行し、還元剤処理の後に熱処理プロセス動作５０９を実行することによって、より優れた特性を有するタングステン膜が得られる。熱処理動作は、３９５℃でのソーク（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｏａｋ）を含みうる。プレ／ポスト熱処理は、膜の接着性を強め、シート抵抗の不均一性のパーセントを低くする。本願明細書中に記載した例におけるプロセス温度は、３９５℃であるが、余／後熱処理は、他のプロセス温度を用いてもよい。
【００５１】
また、プロセス動作５１１において、核生成層上にタングステンバルク層が堆積される前に、核生成層がタングステン含有前駆物質にさらされることにより、タングステン核生成層の他の部分が形成されうる。いかなる適切なタングステン含有前駆物質も用いられうる。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、ＷＦ６、ＷＣｌ６、および、Ｗ（ＣＯ）６のうちの１つである。タングステン含有前駆物質は、通常、アルゴン、窒素、水素などの希釈ガス、または、それらの組合せの状態で提供される。さまざまな実施形態によれば、ブロック５０５から５１１までの温度は、一定でも、あるいは、約２５０から４１５℃までの異なる温度間で変化してもよい。特定の実施形態では、基板温度は、約３５０℃を下回ってよく、例えば、約２５０℃から３５０℃、または、２７５℃から３５０℃であってよい。タングステン含有前駆物質の暴露量、および、基板が前駆物質にさらされる時間は、多数の要因によって変化する。本プロセス動作は、タングステン膜の特性も向上させる。
【００５２】
図６は、図５に示された方法の特定の実施形態を示す。まず、プロセスブロック６０１に示されるように、反応チャンバ内に基板が提供されて配置される。次に、プロセスブロック６０３に示されるように、約３００℃の低温でのパルス核生成層プロセスによって、基板上にタングステン核生成層が堆積される。プロセスブロック６０５に示されるように、基板は、約３９５℃に加熱されて、温度は安定させられる。その後、上述のごとく、プロセス動作６０７において、核生成層が複数のジボランパルスにさらされる。次に、プロセス動作６０９において、基板は、約３９５℃で熱処理される。その後、プロセス動作６１１において、核生成層は、タングステン含有前駆物質にさらされる。いかなる適切なタングステン含有前駆物質が、典型的には希釈ガスの状態で提供されてよい。特定の実施形態では、タングステン前駆物質は、ＷＦ６、ＷＣｌ６、および、Ｗ（ＣＯ）６のうちの１つである。基板温度は、約２５０℃から４１５℃であってよく、特定の実施形態では、約３５０℃を下回ってよく、例えば、約２５０℃から３５０℃、または、２７５℃から３５０℃であってよい。タングステン核生成層がタングステン含有前駆物質にさらされた後、動作６１３において、タングステン核生成層上にタングステンバルク層が堆積される。
【００５３】
上述のごとく、タングステン核生成層は、一般的に、タングステンバルク層より高い電気抵抗率を有する。タングステン膜全体（タングステン核生成層およびタングステンバルク層）の抵抗率を低く保つためには、タングステン核生成層の厚みをできるだけ薄く維持しなければならい。図６に示すように、薄い核生成層を形成すべく、ＰＮＬタングステン堆積プロセスが用いられる。核生成層には、タングステンバルク層が堆積される前に、マルチパルス還元剤処理が施される。結果として生じたタングステン膜は、全体として良好な接着性を維持しつつ、低抵抗率および優れた均一性を有する。
［装置］
【００５４】
本発明の方法は、さまざまな販売業者から入手可能なさまざまなタイプの堆積装置において実行しうる。適切な装置の例は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ  Ｃｏｎｃｅｐｔ  ２  Ａｌｔｕｓ、Ｃｏｎｃｅｐｔ−２  Ａｌｔｕｓ−Ｓ、Ｃｏｎｃｅｐｔ  ３  Ａｌｔｕｓ堆積システムであり、すべてカリフォルニア州サンタクララのＮｏｖｅｌｌｕｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から購入できる。または、他のいかなる市販のＣＶＤ処理システムでもよい。場合によっては、プロセスは、複数の堆積ステーションで順次実行されうる。例えば、参照により本願明細書中に組み込まれる米国特許第６、１４３、０８２を参照されたい。いくつかの実施形態では、タングステン核生成層堆積プロセスは、単一の堆積チャンバ内に配置された２つ、４つ、５つ、または、より多くの堆積ステーションの１つである第１のステーション、または、第１および第２のステーションで実行される。還元ガスおよびタングステン含有ガスは、基板表面に局所雰囲気を生成する個別のガス供給システムを用いて、第１のステーションにおいて半導体基板表面に交互に導入される。
【００５５】
図７は、本発明の複数の実施形態における、タングステン薄膜堆積プロセスの実行に適したＣＶＤ処理システムのブロック図である。システム７００は、移送モジュール７０３を含む。移送モジュール７０３は、クリーンな加圧された雰囲気を提供することにより、処理中の基板がさまざまなリアクタモジュール間を移動する際に汚染されるリスクを最小限に留める。マルチステーションリアクタ７０９に載置された移送モジュール７０３は、本発明の実施形態におけるＰＮＬ堆積、マルチパルス還元剤処理、および、ＣＶＤを実行することができる。チャンバ７０９は、これらの動作を連続的に実行しうるマルチステーション７１１、７１３、７１５、および、７１７を有する。例えば、チャンバ７０９は、ステーション７１１がＰＮＬ堆積を実行し、ステーション７１３がマルチパルス還元剤処理を実行し、ステーション７１５および７１７がＣＶＤを実行するようにされうる。
【００５６】
移送モジュール７０３に載置されうる１つ以上の単一またはマルチステーションモジュール７０７は、プラズマまたは化学（非プラズマ）プレクリーンを実行できる。モジュールは、ポストライナ窒化タングステン処理などのさまざまな他の処理に用いられうる。システム７００は、１つ以上（この場合は２つ）のウェハソースモジュール７０１を含み、この場合、ウェハは、処理の前後には格納される。大気移送チャンバ７１９における大気ロボット（図示せず）は、まず、ウェハをソースモジュール７０１からロードロック７２１へと移動させる。移送モジュール７０３におけるウェハ移送デバイス（一般にはロボットアームユニット）は、ウェハをロードロック７２１から移送モジュール７０３に取り付けられたモジュールに移動させる。
【００５７】
特定の実施形態では、堆積中のプロセス条件を制御するためにシステムコントローラが用いられる。コントローラは、一般的に、１つ以上のメモリデバイス、および、１つ以上のプロセッサを含むとされる。プロセッサは、ＣＰＵ、または、コンピュータ、アナログおよび／またはデジタル入出力接続部、ステッパモータコントローラボードなどを含みうる。
【００５８】
コントローラは、堆積装置の動作のすべてを制御しうる。システムコントローラは、タイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、ウェハ温度、ＲＦ電力レベル、ウェハチャックまたはペデスタル位置、および、特定のプロセスの他のパラメータを制御する命令セットを含むシステム制御ソフトウェアを実行する。いくつかの実施形態では、コントローラに付随してメモリデバイスに格納される他のコンピュータプログラムも用いられうる。
【００５９】
一般的には、コントローラに付随するユーザインターフェースが存在する。ユーザインターフェースは、ディスプレイスクリーン、装置および／またはプロセス条件のグラフィックソフトウェア表示、および、ポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォンなどのユーザ入力デバイスを含みうる。
【００６０】
プロセスシーケンスにおける堆積および他の処理を制御するコンピュータプログラムコードは、例えば、アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、パスカル、フォートラン、または、他のいかなる従来のコンピュータ可読プログラミング言語で記述されてもよい。コンパイルされたオブジェクトコードまたはスクリプトがプロセッサにより実行されて、プログラム内で識別されたタスクを実行する。
【００６１】
コントローラパラメータは、例えば、プロセスガスの組成および流量、温度、圧力、ＲＦ電力レベル、および、低周波ＲＦ周波数などのプラズマ条件、冷却ガス圧力、および、チャンバ壁温度などのプロセス条件に関連する。これらのパラメータは、レシピの形でユーザに提供され、ユーザインターフェースを利用して入力されうる。
【００６２】
プロセスをモニタする信号は、システムコントローラのアナログおよび／またはデジタル入力接続部によって供給されうる。プロセスを制御する信号は、堆積装置のアナログおよびデジタル出力接続部に出力される。
【００６３】
システムソフトウェアは、多くの異なる方法で設計または構成されうる。例えば、さまざまなチャンバ構成部品サブルーチン、または、制御対象が本発明の堆積プロセスを実行するために必要なチャンバ構成部品の動作を制御すべく書き込まれうる。この目的のためのプログラムまたはプログラムのセクションは、基板位置決めコード、プロセスガス制御コード、圧力制御コード、ヒータ制御コード、および、プラズマ制御コードを含む。
【００６４】
基板位置決めプログラムは、基板をペデスタルまたはチャックに載せ、当該基板と、ガス入口および／またはターゲットなどのチャンバの他の部分との間隔を制御するために用いられるチャンバ構成部品を制御するプログラムコードを含みうる。プロセスガス制御プログラムは、チャンバ内の圧力を安定させるべく、堆積前にガス組成および流量を制御し、任意でチャンバ内にガスを送り込むためのコードを含みうる。圧力制御プログラムは、例えば、チャンバの排気システムにおけるスロットルバルブなどを調整することにより、チャンバ内の圧力を制御するコードを含みうる。ヒータ制御プログラムは、基板を加熱するために用いられる加熱ユニットへの電流を制御するコードを含みうる。または、ウェハチャックへの、ヘリウムなどの熱伝導ガスの供給を制御しうる。
【００６５】
堆積中にモニタされうるチャンバセンサの例は、マスフローコントローラ、マノメータなどの圧力センサ、および、ペデスタルまたはチャックに配置される熱電対を含む。所望のプロセス条件を維持すべく、これらのセンサからのデータと共に、適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムが用いられうる。
【００６６】
ここまでは、単一またはマルチチャンバ半導体処理ツールにおける本発明の実施形態の実装についての説明である。
［用途］
【００６７】
本発明の実施形態は、多くの異なる用途の低抵抗率のタングステン薄膜を堆積させるために用いられうる。１つの好適な用途は、メモリチップ、および、マイクロプロセッサなどの集積回路におけるインターコネクトである。インターコネクトは、単一のメタライゼーション層に見られる電流ラインであって、概ね長く薄く平らな構造を有する。これらがタングステン膜のブランケット堆積により（上述のようなプロセスにより）形成され、続いて、通電タングステン線の位置を定めるパターニング、および、タングステン線の外側の領域からタングステンを除去する動作が行われる。
【００６８】
インターコネクト用途の主な例は、メモリチップにおけるビット線である。本発明の実施形態は、インターコネクト用途に限定されないのは、もちろんであり、電子デバイスにおいて一般的に見られるビア、コンタクト、および、他のタングステン構造にまで拡張される。一般に、本発明の実施形態は、低抵抗率のタングステン薄膜が必要とされるあらゆる環境において用途を見出す。他の主な例は、コンタクトビアである。
【００６９】
本発明の実施形態は、一般的に５００オングストローム以下、好ましくは、３００オングストローム以下のオーダーの比較的薄い低抵抗率のタングステン膜にも焦点を当てる。しかしながら、より一般的には、本発明の実施形態は、約５オングストロームから１０００オングストロームの厚みを有するタングステン膜を含む、より広い範囲のタングステン膜に適用される。一般的には２０００から３０００オングストロームであるが、約４０００オングストロームくらいの厚膜でも堆積されうる。これらの厚膜（２０００から４０００オングストローム）は、一般的に、プラグフィル、または、プラグフィルおよび１の金属線に用いられ、一方、それより薄い膜は、ビットラインに用いられる。一般的に、膜厚は、特定の集積方式に依存する。
【００７０】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明の方法を用いて形成されうる２つの異なる積層膜を示す断面図である。どちらの積層膜も上記のようなインターコネクト用途を表しうる。図８Ａの積層膜は、下層基板８０１に形成され、単一の構成要素、または、より一般的には、さまざまな導電、絶縁、および、半導体構成部品を有する複合多機能構造であってよい。例えば、基板８０１は、二酸化ケイ素などのシリコンまたは誘電体を含む最上層を有しうる。基板８０１、チタン層８０３、窒化チタン層８０５、タングステン核生成層８０７、および、タングステンバルク層８０９の順で接触している（本発明の実施形態に従い形成される）。チタン層８０３は、一般的にＣＶＤプロセスによって堆積されることにより、下層基板８０１とのかなり良好な接着性が得られる。窒化チタン層８０５は、一般的にＣＶＤまたはＰＶＤ方法を用いて堆積され、続くタングステン堆積中に、下のチタンおよび／またはシリコンが六フッ化タングステンにさらされるのを防ぐために用いられる。ＷＦ６はチタンと非常に強く、時には劇的に反応することがわかっている。タングステン核生成層８０７は、好ましくはパルス核生成プロセスにより形成される。タングステンバルク層８０９は、上記のような本発明の実施形態に従い形成される。上記のようなインターコネクト用途において、層８０３、８０５、８０７、および、８０９は、すべてエッチングされることによりインターコネクト線が形成される。
【００７１】
図８Ｂの積層膜は、下層基板８１１（例えば、シリコンおよび／または二酸化ケイ素を含む）、タングステン核生成層８１５、および、タングステンバルク層８１７がある点では、図８Ａと同様である。しかしながら、チタンおよび窒化チタン層に代わり、タングステン層８１２、および、窒化タングステン層８１３が用いられる。窒化タングステン層８１３は、下にあるシリコンがＷＦ６にさらされるのを防ぐために用いられ、一般的に、ＣＶＤまたはＰＶＤを用いて堆積されることにより、下のシリコンまたは誘電体基板へのかなり良好な接着性が得られるが、インターコネクトとして機能するために十分な高品質の層を必ずしも提供しない。図８Ａの積層膜では、層８１２、８１３、８１５、および、８１７のすべてがエッチングされることにより、インターコネクト線が形成される。
［他の実施形態］
【００７２】
いくつかの実施形態に関して本発明を説明してきたが、変更、修正、置き換え、および、代替等価物もありえ、それらは本発明の範囲に含まれる。本発明の方法および装置を実装する多くの別な方法が存在することに留意されたい。したがって、添付の請求項は、本発明の実施形態の真の趣旨および範囲に納まるものとして、そのような変更、修正、置き換え、および、代替等価物のすべてを含むと解釈されることが意図される。
【００７３】
ここまで、抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れたタングステン薄膜を形成する本発明の実施形態を説明してきた。本願明細書に記載される方法は、銅およびアルミニウムを含む、抵抗率が低く、均一性および接着性共に優れた他の金属膜を形成するためにも適用可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
0005376361.tif 000011
【図８Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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